合金结构钢的焊接课件

合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接3.1 3.1 合金结构钢的分类和性能合金结构钢的分类和性能3.1.1 3.1.1 合金结构钢的分类合金结构钢的分类合金结构合金结构钢的分类钢的分类化学化学成分成分合金合金系统系统组织组织状态状态用途或使用途或使用性能等用性能等3.1 合金结构钢的分类和性能3.1.1 合金结构钢的分按合金元素按合金元素总含量的多总含量的多少分有少分有低合合钢低合合钢一般一般w(Me)w(Me)5 5中合金钢中合金钢w(Me)=5w(Me)=51010 高合金钢高合金钢w(Me)w(Me)10101.1.按合金元素总含量的多少分有：按合金元素总含量的多少分有：中合金钢高合金钢1.按合金元素总含量的多少分有：2.2.按用途和性能分有按用途和性能分有用途和性能用途和性能用途和性能用途和性能强度用钢强度用钢强度用钢强度用钢低中合金特殊用钢低中合金特殊用钢低中合金特殊用钢低中合金特殊用钢 按回火状态按回火状态按强度等级按强度等级热处理状态热处理状态非调质钢非调质钢 经过淬火经过淬火-回火回火的调质钢的调质钢 l热轧与正火钢热轧与正火钢中碳调质钢中碳调质钢低碳调质钢低碳调质钢珠光体耐热钢珠光体耐热钢低合金耐蚀钢低合金耐蚀钢低温钢低温钢热轧钢热轧钢 控轧钢控轧钢 正火钢正火钢 2.按用途和性能分有用途和性能强度用钢低中合金特殊用钢 按 国内外常见的合金结构钢的牌号国内外常见的合金结构钢的牌号见表见表3-3-1 1表表3-3-1 1 国内外常见的合金结构钢国内外常见的合金结构钢 国内外常见的合金结构钢的牌号见表3-1表3-1 3.1.2 3.1.2 合金结构钢的基本性能合金结构钢的基本性能基基本本性性能能化学成分化学成分力学性能力学性能显微组织显微组织3.1.2 合金结构钢的基本性能基力学性能显微组织1化学成分化学成分化化学学成成分分低合金结构钢是在低碳钢基础低合金结构钢是在低碳钢基础上添加一定量的合金元素构成的上添加一定量的合金元素构成的 （低碳钢的化学成分为：（低碳钢的化学成分为：w wC=0.10%C=0.10%0.25%0.25%，w wSi0.3%Si0.3%，w wMn=0.5%Mn=0.5%0.8%0.8%）用于焊接结构的低中合金钢用于焊接结构的低中合金钢合金元素总的质量分数一般合金元素总的质量分数一般不超过不超过10%10%1化学成分化低合金结构钢是在低碳钢基础用于焊接结构的低中合 图图3-1 3-1 各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度的影响各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度的影响 a)a)对抗拉强度的影响对抗拉强度的影响 b)b)对屈服强度的影响对屈服强度的影响 图3-1 各种合金元素对结构钢的抗拉强 图图3-2 3-2 低合金高强钢的低温拉伸性能（低合金高强钢的低温拉伸性能（a,ba,b）2力学性能力学性能 图3-2 低合金高强钢的低温拉伸性能（a,b）2力学3 3显微组织显微组织低合低合金钢金钢热影热影响区响区中的中的显微显微组织组织低碳马氏体低碳马氏体贝氏体贝氏体M-AM-A组元组元珠光体类珠光体类导致具有不同导致具有不同的硬度、强度的硬度、强度性能、塑性和性能、塑性和韧性韧性3显微组织低合低碳马氏体贝氏体M-A组元珠光体类导致具有不 图图3-33-3典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响 图3-3典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金 表表3-3-2 2 常见金相组织及不同混合组织的硬度常见金相组织及不同混合组织的硬度 表3-2 常见金相组织及不同混合组3.2 3.2 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接 3.2.1 3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧及正火钢的成分和性能热热轧轧及及正正火火钢钢屈服强度为屈服强度为294294-490M-490MP Pa a的低合金高强钢的低合金高强钢一般是在热轧或正火状态一般是在热轧或正火状态下供货使用下供货使用属于非热处理强化钢属于非热处理强化钢3.2 热轧及正火钢的焊接 3.2.1 热轧及正火钢的成1 1热轧钢热轧钢热热轧轧钢钢屈服强度为屈服强度为294-392M294-392MP Pa a的的普通低合金钢都属于热轧钢普通低合金钢都属于热轧钢这类钢的这类钢的基本成分为：基本成分为：w wC0.2%C0.2%，w wSi0.55Si0.55%，w wMn 1.5%Mn 1.5%热轧钢通常为铝镇静的细晶热轧钢通常为铝镇静的细晶粒铁素体珠光体组织的钢粒铁素体珠光体组织的钢一般在热轧状态下使用一般在热轧状态下使用Q345Q345（16Mn16Mn）是我国于）是我国于2020世纪世纪5050年代研制和生产应年代研制和生产应用最广泛的热轧钢用最广泛的热轧钢1热轧钢热屈服强度为294-392MPa的这类钢的基本成2 2正火钢正火钢正正火火钢钢正火状态下使用的钢：主要正火状态下使用的钢：主要是含是含V V、NbNb、TiTi的钢，如的钢，如Q390Q390、Q345Q345等，主要特点是等，主要特点是屈强比（屈强比（s s/b b）较高）较高正正火回火状态使用的火回火状态使用的含含MoMo钢：如钢：如14MnMoV14MnMoV、1818MnMoNbMnMoNb等等抗层状撕裂的抗层状撕裂的Z Z向钢，向钢，屈服强度屈服强度ss343M343MP Pa a2正火钢正正火状态下使用的钢：主要正火回火状态使用的抗层3 3微合金控轧钢微合金控轧钢微微合合金金控控轧轧钢钢加入质量分数为加入质量分数为0.1%0.1%左右左右对钢的组织性能有显著或对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素特殊影响的微量合金元素的钢，称为微合金钢的钢，称为微合金钢多种微合金元素（如多种微合金元素（如NbNb、TiTi、MoMo、V V、B B、RERE）的共）的共同作用称为多元微合金化同作用称为多元微合金化单一微合金元素的质量分数单一微合金元素的质量分数通常在通常在0.25%0.25%以下。以下。3微合金控轧钢微加入质量分数为0.1%左右多种微合金元素3.2.2 3.2.2 热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢的焊接性低合金钢低合金钢的焊接性的焊接性化学化学成分成分轧制轧制工艺工艺3.2.2 热轧及正火钢的焊接性低合金钢化学轧制热轧热轧及正及正火钢火钢的焊的焊接性接性冷裂纹及影响因素冷裂纹及影响因素 热裂纹热裂纹和再热裂纹和再热裂纹非调质钢焊缝的组织和韧性非调质钢焊缝的组织和韧性 热影响区脆化热影响区脆化 层状撕裂层状撕裂 热轧冷裂纹及影响因素 热裂纹和再热裂纹非调质钢焊缝的组织和韧1 1冷裂纹及影响因素冷裂纹及影响因素冷裂冷裂纹及纹及影响影响因素因素碳当量碳当量（C Ceqeq）淬硬淬硬倾向倾向热影响区热影响区最高硬度最高硬度热轧钢的热轧钢的淬硬倾向淬硬倾向正火钢的正火钢的淬硬倾向淬硬倾向1冷裂纹及影响因素冷裂碳当量淬硬热影响区热轧钢的正火钢的(2)(2)淬硬倾向淬硬倾向马氏体或马氏体或M+B+FM+B+F混合组织时混合组织时产生产生B B或或B+FB+F组织时组织时焊焊接接热热影影响响区区对氢致对氢致裂纹敏感裂纹敏感对氢致裂对氢致裂纹不敏感纹不敏感(2)淬硬倾向马氏体或M+B+F产生B或焊对氢致对氢致裂图图3-4 3-4 热轧钢（热轧钢（Q345Q345）和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（）和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（SHSHCCT）a a)Q345)Q345 T Tm 1350m 1350 b b)低碳钢低碳钢 T Tm 1300)m 1300)1）热轧钢的淬硬倾向）热轧钢的淬硬倾向图3-4 热轧钢（Q345）和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图图3-5 3-5 正火钢的焊接连续冷却组织转变图（正火钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCTSHCCT）a a a a）为为为为Q420 Q420 Q420 Q420 b b b b)18MnMoNb)18MnMoNb)18MnMoNb)18MnMoNb 2)正火钢的淬硬倾向正火钢的淬硬倾向图3-5 正火钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCT）(3)(3)热影响区最高硬度热影响区最高硬度 图图3-6 3-6 热影响区最高硬度与裂纹率的关系热影响区最高硬度与裂纹率的关系 (3)热影响区最高硬度 图3-6 热影 图图3-9 3-9 冷却时间冷却时间t t8/58/5对热影响区最高硬度的影响对热影响区最高硬度的影响（钢材成分：（钢材成分：w wC 0.12%,C 0.12%,w wMn 1.40%,Mn 1.40%,w wSi 0.48%,Si 0.48%,w wCu 0.15%,Cu 0.15%,板厚板厚h h=20mm=20mm）图3-9 冷却时间t8/5对热影响区最2 2热裂纹热裂纹和再热裂纹和再热裂纹裂裂纹纹再热裂纹再热裂纹焊缝热裂纹焊缝热裂纹2热裂纹和再热裂纹裂再热裂纹焊缝热裂纹 图图3-10 3-10 再热裂纹敏感性与再热裂纹敏感性与CrCr、MoMo含量的关系含量的关系A ASRSR裂纹敏裂纹敏感区感区 B B随随CrCr、MoMo含量增加，含量增加，SRSR裂纹增加裂纹增加 图3-10 再热裂纹敏感性与Cr、Mo含3 3非调质钢焊缝的组织和韧性非调质钢焊缝的组织和韧性焊缝焊缝韧性韧性针状铁素体针状铁素体(AF)(AF)先共析铁素体先共析铁素体(PF)组织组织所占的比例所占的比例3非调质钢焊缝的组织和韧性焊缝针状铁素体先共析铁素体所占的 图图3-11 3-11 不同铁素体形态对高强钢焊缝韧性的影响不同铁素体形态对高强钢焊缝韧性的影响 a a)AF)AF对对v vT Trsrs的影响的影响 b b)PF)PF对对v vT Trsrs的影响的影响 图3-11 不同铁素体形态对高强钢焊缝 图图3-12 3-12 高强钢焊缝韧性与强度的关系高强钢焊缝韧性与强度的关系 图3-12 高强钢 Mn-SiMn-Si系焊缝组织与韧性的关系见系焊缝组织与韧性的关系见表表3-53-5。表表3-5 Mn-Si3-5 Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系系焊缝组织与韧性的关系 表3-5 Mn-Si系焊缝组织与韧性的4 4热影响区脆化热影响区脆化脆脆化化粗晶区脆化粗晶区脆化热应变脆化热应变脆化 4热影响区脆化脆粗晶区脆化 图图3-14 3-14 S S、P P对热影响区韧性的影响对热影响区韧性的影响（低合金钢三丝埋弧焊（低合金钢三丝埋弧焊）图3-14 S、P对热影响区韧性的影响（低合金 图图3-15 3-15 N N对热影响区韧性的影响对热影响区韧性的影响（Mn-SiMn-Si系低合金钢系低合金钢）图3-15 N对热影响区韧性的影响（Mn-5 5层状撕裂层状撕裂 图图3-16 3-16 产生层状撕裂的一些典型接头形式产生层状撕裂的一些典型接头形式a a)角接角接T T形接头形接头 b b)对接对接T T形接头形接头 c c)对接角接头对接角接头 5层状撕裂 图3-16 产生层状撕裂的3.2.3 3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺热轧及正火钢的焊接工艺热轧及热轧及正火钢正火钢的焊接的焊接工艺工艺焊接材料的选择焊接材料的选择焊接工艺参数的焊接工艺参数的确定确定坡口加工、坡口加工、装配及定位焊装配及定位焊 3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺热轧及焊接材料的选择焊接工1 1坡口加工、装配及定位焊坡口加工、装配及定位焊坡口坡口加工加工装配装配及定及定位焊位焊坡口加工可采用机械加工，其坡口加工可采用机械加工，其加工精度较高，也可采用火焰加工精度较高，也可采用火焰切割或碳弧气刨。切割或碳弧气刨。焊接件的装配间隙不应过焊接件的装配间隙不应过大，尽量避免强力装配，大，尽量避免强力装配，减小焊接应力。减小焊接应力。定位焊应选用同类型的焊接定位焊应选用同类型的焊接材料，也可选用强度稍低的材料，也可选用强度稍低的焊条或焊丝。焊条或焊丝。1坡口加工、装配及定位焊坡口坡口加工可采用机械加工，其 2 2焊接材料的选择焊接材料的选择低合低合金钢金钢选择选择焊接焊接材料材料一是不能有裂纹等一是不能有裂纹等焊接缺陷焊接缺陷二是能满足使用二是能满足使用性能要求。性能要求。2焊接材料的选择低合一是不能有裂纹等 热轧及正火钢焊接一般是根据其强度热轧及正火钢焊接一般是根据其强度级别选择焊接材料，而不要求与母材同级别选择焊接材料，而不要求与母材同成分，其要点如下：成分，其要点如下：要要点点考虑焊后热处理对考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响焊缝力学性能的影响同时考虑熔合比和冷却同时考虑熔合比和冷却速度的影响速度的影响选择与母材力学性能匹选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料配的相应级别的焊接材料 热轧及正火钢焊接一般是根据其强度级别选择焊3 3焊接工艺参数的确定焊接工艺参数的确定工艺工艺参数参数预热和焊后热处理预热和焊后热处理焊接热输入焊接热输入3焊接工艺参数的确定工艺预热和焊后热处理焊接热输入 图图3-17 3-17 焊接热输入对热影响区晶粒尺寸和冲击韧性的影响焊接热输入对热影响区晶粒尺寸和冲击韧性的影响a a)冷却时间冷却时间t t8/58/5与晶粒尺寸的关系与晶粒尺寸的关系 b b)热输入对热影响区韧性的影响热输入对热影响区韧性的影响 1 1）焊接热输入焊接热输入 图3-17 焊接热输入对热影响区晶粒尺寸和冲击韧 HQ70HQ70和和HQ80HQ80低碳调质钢焊接一般要求低低碳调质钢焊接一般要求低温预热，预热温度和最大焊接热输入温预热，预热温度和最大焊接热输入见表见表3-3-2020。表表3-20 3-20 两种低碳调质钢的最大热输入两种低碳调质钢的最大热输入 HQ70和HQ80低碳调质钢焊接一般要求低温热轧及正热轧及正火钢焊接火钢焊接的典型工的典型工艺参数艺参数 焊条电弧焊焊条电弧焊 自动焊自动焊 氩弧焊氩弧焊 热轧及正焊条电弧焊 自动焊 氩弧焊 表表3-93-9 热轧及正火钢热轧及正火钢CO2CO2气体保护焊的工艺参数气体保护焊的工艺参数表3-9 热轧及正火钢CO2气体保护焊的工艺参数 表表3-103-10 热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数表表3-113-11 热轧及正火钢熔化极氩弧焊的工艺参数热轧及正火钢熔化极氩弧焊的工艺参数 表3-10 热轧及正火钢钨极氩弧焊的工 2)2)预热和焊后热处理预热和焊后热处理 2)预热和焊后热处理确定焊后确定焊后回火温度回火温度的原则的原则不要超过母材原来的不要超过母材原来的回火温度，以免影响回火温度，以免影响母材本身的性能母材本身的性能对于有回火脆性的材对于有回火脆性的材料，要避开出现回火料，要避开出现回火脆性的温度区间脆性的温度区间确定焊后不要超过母材原来的对于有回火脆性的材4 4焊接接头的力学性能焊接接头的力学性能 焊缝金属和热影响区的力学性能是影响焊缝金属和热影响区的力学性能是影响接头使用可靠性的基本性能，而其中强度接头使用可靠性的基本性能，而其中强度与韧性又是关键的考核要素，特别是对合与韧性又是关键的考核要素，特别是对合金结构钢接头更为重要，几种典型热轧及金结构钢接头更为重要，几种典型热轧及正火钢焊接接头的力学性能见表正火钢焊接接头的力学性能见表3-143-14。4焊接接头的力学性能